中国机械工程

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2024, 35(08): 0.

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弧形金刚石砂轮机械修整研究进展

陈冰1, 卿光烨1, 郭烨1, 邓朝晖2

2024, 35(08): 1331-1347. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.001

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弧形金刚石砂轮因特有的弧形轮廓，常用于陶瓷、光学玻璃、硬质合金等难加工材料光学元件的精密超精密磨削加工。然而，在光学元件磨削加工过程中，由于砂轮与工件表面间的相互作用，砂轮表面受到挤压破坏，长时间磨削后会产生砂轮堵塞、砂轮磨损、砂轮尺寸和形状精度下降等问题，进而降低了磨削后光学元件的表面粗糙度、面形精度和损伤厚度等。修整弧形金刚石砂轮是解决上述问题的有效途径之一，机械修整因具有修整效率高、便于实现等特点，仍是弧形金刚石砂轮在位修整的主要应用方法。对弧形金刚石砂轮的机械修整方法进行了综述，探究了不同修整方法的修整机理与特点，分析了修整效果的评价方法，并对弧形金刚石砂轮机械修整的发展方向进行了展望。

椭圆横断截面新型双轴柔性铰链设计及分析

魏华贤1, 2, 赵永杰2, 杨楠2, 王奉涛2, 牛小东2

2024, 35(08): 1348-1357. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.002

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现有同位正交复合缺口双轴柔铰存在矩形横断截面锐边结构，增大了应力集中效应，且无法通过优化纵向缺口轮廓来消除。为此，提出一类椭圆横断截面新型双轴柔铰。首先以圆弧缺口为对象，构建该类柔铰的参数化结构模型；然后基于卡氏第二定理建立其柔度及最大应力理论模型，通过有限元分析验证模型的有效性，基于此，实现了柔度及应力集中特性分析；最后通过实验测试验证了柔铰的柔度性能。结果表明，椭圆横断截面型双轴柔铰具备两向各异柔度，可从本质上避免锋利锐边结构，降低应力集中效应，与具有相同缺口结构的矩形横断截面型双轴柔铰相比，工作能力可提高47.9%，该类柔铰结构拓展了现有缺口型柔铰的基本类型。

采油单螺杆泵动态力学特性及疲劳寿命预测研究

祖海英, 孙金山, 叶卫东, 李大奇

2024, 35(08): 1358-1365. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.003

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针对常规采油螺杆泵定子橡胶疲劳失效的问题，以油田常用的GLB120-27型单螺杆泵为研究对象，开展了50 ℃油浸工况下定子橡胶材料疲劳试验，获取了橡胶材料的疲劳性能参数，并构建了疲劳寿命预测模型。运用ABAQUS软件对螺杆泵进行动态力学特性有限元分析，基于数值模拟得到应力应变响应结果和定子橡胶材料单轴拉伸试验应力应变拟合表达式，计算了疲劳危险位置点应变能释放率的范围。利用构建的疲劳寿命预测模型对不同过盈量条件下的螺杆泵进行了疲劳寿命预测研究。结果表明，随着过盈量的增加，疲劳寿命呈指数函数下降，通过与某采油厂近5年单螺杆泵平均工作寿命的对比，发现基于裂纹扩展方法预测得到的螺杆泵定子橡胶疲劳寿命可以满足工程预测精度要求。

恒幅载荷下填充天然橡胶概率疲劳寿命预测模型

刘湘楠1, 2, 许靖伟1

2024, 35(08): 1366-1372. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.004

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建立一种条件概率分布模型来描述任意应变水平下的橡胶疲劳寿命分布规律。开展了不同应变水平下的橡胶单轴拉伸疲劳试验，分析了橡胶疲劳寿命的分布规律，并采用极大似然估计法确定了橡胶疲劳寿命概率分布模型的参数值。采用最小二乘法拟合了应变水平与概率分布模型参数值之间的函数关系，并建立了条件概率的分布模型。开展了橡胶疲劳可靠度的评估，建立了橡胶P-ε-N模型，通过与实测寿命的比较，验证了橡胶P-ε-N模型的有效性。

基于SOA-VMD-ICA的海水泵激励源特征提取方法

滕佳篷, 武国启

2024, 35(08): 1373-1380. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.005

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针对海水泵复杂多源激励特征提取问题，提出了一种海鸥优化算法（SOA）、变分模态分解（VMD）和独立分量分析（ICA）相结合的海水泵激励源特征提取方法。基于单通道测量信号，采用VMD算法与SOA算法选取信号平方包络谱峭度统计量作为适应度函数，寻优获取模态分解数量K、惩罚系数α及特征模态函数（IMF）分量。采用信号排列熵作为噪声检验函数，合理选取排列熵阈值，对IMF分量进行噪声筛选，获取非噪声IMF分量信号。将非噪声IMF分量与原输入信号组合，采用快速独立成分分析（Fast-ICA）算法计算得到激励源信号向量，从而实现激励源特征信号的提取。通过实船海水泵激励源特征提取试验及对比分析，验证了所提方法的有效性。研究结果表明，所提的SOA-VMD-ICA方法能满足单通道测量条件海水泵激励源特征提取准确性要求。

弹塑性接触冲击永久变形与滑移长度的解析求解

王尧1, 管恩广1, 张青雷1, 2

2024, 35(08): 1381-1389，1396. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.006

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在机械系统的设计与应用中，多体表面之间的弹塑性接触冲击现象是一个重要的力学问题，蕴含复杂的物理力学特性，对接触力等关键参数的解析与表征还存在许多争议与谜团。针对弹塑性倾斜接触冲击事件，根据Brake压陷模型建立瞬时接触力和接触变形的计算式，用接触变形系统地探讨与描述弹塑性接触冲击过程；基于广义动量定理，对冲击持时、永久变形和滑移长度的内在关系进行解析，分别得到以积分形式表示的永久变形和滑移长度表达式，再结合已发表文献中冲击对象在接触冲击前后的运动试验数据进行解析求解；测量接触冲击后被冲击对象的变形区域并进行对比分析。试验与数值结果表明：采用广义动量定理所建立的方法求解永久变形和滑移长度，其计算结果与试验值吻合较好，与采用Brake压陷模型直接积分数学方程相比，该方法计算结果更准确。

高速列车车轮两阶段退化建模及可靠性分析

齐金平1, 2, 3, 刘晓宇1, 冯洪1, 李鸿伟1, 燕大强4

2024, 35(08): 1390-1396. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.007

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针对高速列车车轮在退化过程中呈现两阶段特征的问题，提出一种基于两阶段非线性Wiener过程的高速列车车轮退化建模及可靠性分析方法。采用CUSUM（CUmulative SUM）算法实现车轮退化过程变点判别，在此基础上，利用马尔可夫链蒙特卡罗方法估计模型未知参数。针对车轮两阶段退化过程较为复杂、可靠度解析形式难以求解的问题，通过蒙特卡罗模拟方法求解得到车轮可靠度函数曲线和可靠寿命。最后以某机车同转向架车轮单个镟修周期内的实测数据为例，验证了模型的有效性。结果表明：受运营环境影响，同转向架不同侧车轮退化过程出现变点的位置不同；相较于未考虑阶段性特征的退化模型，所提模型可靠性评估结果更符合现场实际；通过不断获取车轮退化数据，可采用所提模型计算并更新车轮可靠寿命值，为车轮镟修周期的进一步优化提供了理论指导。

基于多智能体深度Q网络交互的板壳加强筋生长式设计

钟意, 杨勇, 姜学涛, 潘顺洋, 朱其新, 王磊

2024, 35(08): 1397-1404. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.008

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基于板壳加强筋生长步序列的马尔可夫性质，提出了板壳加强筋生长式设计的强化学习驱动策略。以结构整体应变能最小化为目标，运用马尔可夫决策过程对板壳加强筋的生长过程进行建模。通过引入多智能体系统，共享加强筋生长式过程的状态奖励并记忆特定动作，降低学习复杂度，实现了加强筋生长式过程奖励值的波动收敛，达成板壳加强筋生长式设计策略。最后给出算例并将平滑处理后的加强筋布局与经典算法的设计结果进行对比，验证了基于多智能体深度Q网络交互的板壳加强筋生长式设计的有效性。

基于时频融合深度网络的矿用钻机轴承故障诊断

邹筱瑜1, 3, 孙国庆1, 王忠宾1, 3, 潘杰2, 刘新华1, 3, 李鑫1, 3

2024, 35(08): 1405-1413，1448. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.009

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针对矿用钻机低速重载工作特性导致其轴承故障特征微弱、噪声大的问题，考虑单一模态下故障诊断的局限性，提出了一种基于时频融合深度网络的矿用钻机轴承故障诊断方法，对时域和时频域两种模态特征进行联合提取与分析。所设计的诊断网络在不同模块中区分性地嵌入不同注意力机制，实现多维度关键故障特征提取。最后通过钻机实验台数据集和凯斯西储大学轴承数据集进行验证。结果表明：所提方法能自动提取丰富的钻机轴承故障特征，比仅在时域或时频域分析具有更高的准确率和抗噪能力。

基于改进三元模型的波纹管型气动软体驱动器神经网络滑模控制

吕播阳1, 2, 3, 孟庆鑫1, 2, 3, 肖怀1, 2, 3, 赖旭芝1, 2, 3, 王亚午1, 2, 3, 吴敏1, 2, 3

2024, 35(08): 1414-1425. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.010

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针对一款波纹管型气动软体驱动器，提出了一种基于改进三元模型的滑模控制方法，并使用RBF神经网络补偿扰动以实现该型驱动器在竖直方向上对期望轨迹的跟踪控制。首先搭建波纹管型气动软体驱动器实验平台，测试并分析该驱动器的动态特性,基于上述动态特性提出波纹管型气动软体驱动器的改进三元模型；然后利用采集到的实验数据，基于最小二乘算法对其进行参数辨识，从而获得所提模型的参数；进而结合改进三元模型设计滑模控制器，使用RBF神经网络对集总扰动进行补偿，并利用Lyapunov方法分析系统的稳定性；最后通过一系列实验验证了所提方法的有效性。

数控机床旋转轴多自由度静/热误差同步测量与建模

李国龙1, 肖扬1, 李喆裕1, 徐凯2, 张薇1

2024, 35(08): 1426-1434. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.011

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针对现有的数控机床旋转轴误差测量与建模方法仅考虑多自由度静态几何误差或单自由度热误差单独作用的影响,未考虑几何误差和热误差耦合影响的问题,提出了一种基于球杆仪的数控机床旋转轴多自由度静/热误差同步测量与建模方法。首先基于齐次坐标变换建立球杆仪杆长变化模型,再基于该模型使用非齐次线性方程组建立静/热误差辨识模型;其次设计了适应多自由度静/热误差同步测量的球杆仪安装模式以缩短测量时间,减少热逸散对测量结果的影响;再次基于卷积长短期记忆神经网络（CNN-LSTM）建立旋转轴多自由度静/热误差预测模型;最后在数控蜗杆砂轮磨齿机的C轴上进行误差测量实验,对多种转速下的旋转轴多自由度误差进行快速辨识,并通过CNN-LSTM静/热误差预测模型对多自由度误差和球杆仪杆长变化进行预测，以验证所建模型的准确性。

基于多源域迁移学习的带式输送机剩余寿命预测方法

高新勤, 杨学琦, 郑海洋

2024, 35(08): 1435-1448. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.012

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煤矿开采过程中，带式输送机运行环境恶劣、工况复杂，致使获得的传感监测数据量有限且存在大量噪声干扰，严重限制了其剩余寿命预测的准确度。针对该问题，提出了一种多源域迁移学习剩余寿命预测方法，充分利用煤矿运输过程中积累的带式输送机多工况数据，以达到准确预测其关键零部件托辊轴承剩余寿命的目的。首先构建集成多尺度卷积神经网络和双向门控循环单元（MCNN-BiGRU）的设备退化特征提取模型，对单工况数据进行特征提取挖掘，并使用PSO算法确定模型超参数。在此基础上，加入多源域迁移学习（MDT）方法，利用多个工况数据进行剩余寿命预测，通过最大均值差异(MMD）与相互关系对齐（CORAL）联合损失拉近各源域数据分布差异，解决因数据量少导致的模型训练精度不高的问题。最后以煤矿实际生产数据集为例进行实验，结果表明：MDT-MCNN-BiGRU模型的预测效果较好，Savitzky-Golay滤波去噪后模型性能得以进一步提升；使用IMS数据集与现有方法进行比较，发现所提方法预测准确度较高，对煤矿运输设备健康管理具有一定的指导意义。

基于双信号融合的主轴/刀柄结合面刚度退化程度预测

吴石, 张勇, 王宇鹏, 王春风

2024, 35(08): 1449-1461. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.013

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为了预测主轴/刀柄结合面刚度退化程度，提出了一种基于激励和响应信号融合的主轴/刀柄结合面刚度退化程度预测方法。首先进行钛合金矩形工件侧铣实验，采集瞬时铣削力信号和主轴/刀柄结合面附近的响应振动信号，构建反映主轴/刀柄结合面刚度退化的数据库。然后根据数据库中瞬时铣削力和振动信号各方向的时域、频域和时频域特征，基于相关性分析优选出瞬时铣削力信号和振动信号的时域均值、频域中心频率、时频域一阶小波包能量3个特征，分别使用低频滤波卷积核和高频滤波卷积核对优选后的特征矩阵进行双通道卷积池化处理，获取深度融合的主轴/刀柄结合面刚度退化程度特征向量。最后以支持向量机模型（SVM）的概率模式转化为朴素贝叶斯分类器（NBC）的条件概率，构建混合分类器模型（NBC-SVM），提高了分类器的分类性能。在主轴/刀柄结合面刚度退化数据库的基础上，基于双通道卷积池化的特征融合方法（CP-FF）和NBC-SVM模型实现了主轴/刀柄结合面刚度退化程度的预测，预测精度达96%。

改进Jaya算法求解混合流水车间调度问题

周豪1, 张超勇1, 2, 刘辉1, 3, 罗敏2

2024, 35(08): 1462-1471,1508. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.014

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混合流水车间调度问题(HFSP)是广泛存在于流程制造系统中的NP-hard问题。针对最小化完工时间的HFSP，结合Jaya算法和禁忌搜索的优势，提出了一种改进Jaya算法。在该算法迭代更新阶段，根据设计的编码方式提出一种基于路径重连的方法来进行离散更新，以保证种群的多样性，提高全局搜索能力。为提高局部搜索能力，提出融合两种邻域结构的禁忌搜索算法来进一步提高解的质量，并根据问题特性对邻域结构进行适配调整。采用所提算法求解三种基准测试集，在大规模经典测试集中求出新的最优解，在解的质量方面优于当前文献中其他算法，验证了所提算法的有效性和优越性。

DD5缓进磨削表面粗糙度和硬化率对疲劳性能影响研究

靳淇超1, 2, 包虎子1, 李良万3, 汪文虎3, 张锦淇1, 叶子银1, 郭磊1

2024, 35(08): 1472-1479. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.015

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为研究DD5镍基单晶高温合金缓进磨削表面粗糙度和硬化率对疲劳性能的影响规律及机理，设计实验并进行了试件磨削与疲劳性能测试。结果表明：表面粗糙度的增大引起应力集中加剧,导致疲劳性能降低，不同磨削工艺下表面粗糙度由0.347 μm增大到0.687 μm，其疲劳寿命由5.51×105降至3.38×105，下降率约38.66%；表面粗糙度小于0.4 μm时表面硬化可提高试件疲劳寿命，表面粗糙度超过0.4 μm时表面硬化对疲劳性能的影响不显著；形貌测试结果表明，随着表面粗糙度的提高，磨削表面耕犁产生的沟壑数量和深度均增大，疲劳载荷作用下磨削表面裂纹源数量增加、应力集中加剧，从而导致疲劳寿命降低。较小的表面粗糙度与较大的表面硬化率均可提高DD5缓进磨削疲劳性能。

高速激光熔覆马氏体不锈钢涂层与电镀层性能对比与研究

王井1, 2, 艾超1, 员霄2, 朱迅2, 郭飞2

2024, 35(08): 1480-1488. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.016

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为对比研究不同液压缸服役工况下高速激光熔覆涂层替代电镀硬铬层的可行性，分别制备了马氏体不锈钢熔覆层XG-1、XG-2和电镀硬铬涂层，开展了三种涂层组织、硬度、腐蚀性能及模拟不同工况（划伤磨损、干砂摩擦磨损、滑动摩擦磨损）下磨损性能测试，探讨了涂层失效行为及其应用工况。结果表明：XG-1、XG-2涂层微观组织致密且均匀，平均显微硬度为720.5 HV、653 HV；电镀硬铬涂层分布孔隙和裂纹等缺陷，自腐蚀电流密度为10.45 μA/cm2，耐腐蚀性能最差；三种磨损形式下电镀硬铬涂层均发生了开裂及剥落，高速激光熔覆涂层表现出更优异的耐磨性能，适用于活塞杆易拉伤、外界富集硬质颗粒污染物、大侧向载荷等液压缸服役工况。

基于离合器滑摩扭矩估计的并联式气电混合动力船舶模式切换控制

彭程, 陈俐, 傅圣来

2024, 35(08): 1489-1497. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.017

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在并联式气电混合动力船舶由纯电到混动的模式切换过程中，需要通过离合器的滑摩作用来完成动力的耦合，然而离合器滑摩扭矩具有很大的不确定性，导致其名义值偏离实际值，使得基于名义值的模式切换控制失效，造成传动轴系冲击。针对上述问题，提出了一种基于离合器滑摩扭矩估计的模式切换控制方法。采用扰动观测器与未知输入观测器结合的方式实现了离合器滑摩扭矩的估计，并基于估计值设计了驱动电机以及天然气发动机扭矩控制律。仿真与台架试验结果表明，所提的离合器滑摩扭矩估计方法有较好的估计效果，基于估计值的模式切换控制策略能够有效减小轴系冲击。

基于自适应闭环反馈的高空车臂架避障控制研究

黄毅, 胡明, 汤麒英, 郭金梦, 张金来, 任广安

2024, 35(08): 1498-1508. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.018

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针对改进梯度投影法在混合式高空作业车应用中出现的速度、轨迹不连续以及避障过程中末端速度突变等问题，提出了一种基于自适应闭环反馈的高空车臂架避障控制算法。对改进梯度投影法进行优化，实现了存在伸缩臂的高空车臂架与末端的速度、轨迹连续的运动控制。采用伪距离描述臂架与障碍物的接近程度，对传统避障速度算法进行优化，并提出一种自适应闭环反馈方法，将反馈权重与伪距离相关联，使反馈权重自适应变化。所提算法在保证末端轨迹精度的同时大大改善了臂架关节在避障过程中的速度突变。仿真及半物理实验结果表明，相较于传统方法，所提方法速度变幅大大减小且轨迹更加平滑，实现了多障碍物避障与同一障碍物多次避障。

基于位敏传感器的对中监测系统

郭丰泽, 杨博, 戎志祥, 杨俊曼, 冯熠硕

2024, 35(08): 1509-1519. DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2024.08.019

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为了实时掌握柴油机动力装置的对中状态，设计了一种基于位敏传感器的对中监测系统。首先提出了基于位敏传感器的位姿变化测量方法，形成包含位姿变化的非线性方程组，通过位姿转换获得对中变化；其次通过传感器支架组件实现对方程组常量的高精度测量，通过软硬件设计形成测量系统，设计了基于简单牛顿法的复合迭代算法，保证方程组快速、准确求解；最后对测量系统的精度进行了分析，并采用四维平台进行了验证。试验结果表明：对中监测系统噪声小，偏差量噪声在0.005 mm以下，开口角噪声在0.01°以下；精度受激光入射方向影响较大，最佳入射方向下，偏差量监测精度可达0.02 mm，开口角监测精度可达0.019°。该系统将用于国产柴油机动力装置的对中监测。

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2024, 35(08): 1520.

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